Solitões em fibras ópticas

A ideia de utilizar a diferença entre índices de refracção de meios diferentes para criar uma armadilha para raios de luz já foi implementada com grande sucesso: Falamos das fibras ópticas que todos nós conhecemos e que ocupam um lugar importante na nossa vida. Em particular, as fibras ópticas são usadas para a transferência extremamente rápida de informação de alta densidade ao longo de grandes distâncias. Apesar da ideia em que se baseia o fenómeno ser surpreendentemente simples, a sua realização técnica exige novos conceitos para ultrapassar duas dificuldades principais. Uma é a dissipação da luz, e portanto a atenuação do sinal durante a propagação, a outra é a dispersão dos pacotes de ondas. Nesta secção não vamos discutir os meios para combater a atenuação do sinal, mas veremos como a não linearidade pode ser utilizada como uma ferramenta para manter a forma do sinal.

Representação esquemática da propagação de impulsos em fibras ópticas lineares (em cima) e não lineares (em baixo).
Representação esquemática da propagação de impulsos em fibras ópticas lineares (em cima) e não lineares (em baixo).

Comecemos por observar na figura o que acontece a uma sucessão de impulsos (cada um considerado como um bit de informação) aplicados à entrada duma fibra óptica linear (do lado esquerdo da figura). Devido à dispersão da velocidade de grupo ao longo da fibra óptica, à saída (do lado direito) cada pacote de ondas é mais largo, pois as harmónicas que o compõem propagam-se com velocidades diferentes. Para transferir informação precisamos de uma sucessão de impulsos separados por uma distância fixa (quanto menor for a distância entre dois impulsos sucessivos, maior é a densidade de informação transferida). Portanto, se a fibra for suficientemente longa, o aumento da largura de cada impulso vai ultrapassar a distância média entre impulsos sucessivos e a sobreposição dos pacotes vai acontecer (como se mostra na figura, em cima). Nesta situação os pacotes, inicialmente diferentes, vão transformar-se numa onda contínua e perdem a sua identidade. Se à saída da fibra for colocado um receptor de ondas electromagnéticas, este não conseguirá distinguir os impulsos iniciais e, portanto, os bits de informação.

A situação muda drasticamente, se a fibra for não linear (o caso ilustrado na figura, em baixo). Como já sabemos, neste caso é possível a criação e propagação de solitões. Vamos também supor que uma sucessão de solitões é aplicada à entrada da fibra. Uma vez que os solitões se propagam com velocidade constante, sem qualquer alteração da sua forma, independentemente do caminho percorrido e do comprimento da fibra (mais uma vez sublinhamos que estamos a considerar uma situação idealizada, i.e. desprezamos vários efeitos incluindo a atenuação do sinal) o receptor vai receber exactamente a mesma sucessão de solitões, i.e. exactamente a mesma informação sem quaisquer danos sofridos durante a propagação.

Mas podemos ir ainda mais longe. Vamos recordar em primeiro lugar que os solitões têm características bem definidas e inalteráveis. Por isso podemos considerar sucessões de solitões, digamos de amplitudes diferentes. Isto significa que podemos criar bits de informação diferentes, e portanto codificar a informação ainda com maior densidade. Além disso, os solitões são transparentes em relação uns aos outros. Isto significa que podemos imaginar uma situação em que, depois de enviar informação usando um impulso multi-solitónico, enviamos uma outra informação usando outro impulso multi-solitónico com maior velocidade. Depois da interacção entre ambos, o segundo impulso ultrapassa o primeiro e chega à saída da fibra primeiro! Desta forma podemos inverter a ordem de envio e de recepção de informação.